GCr15軸承鋼的ELID高效精密磨削的實(shí)驗(yàn)研究*

王詠莉 王春健 關(guān)佳亮 王志偉 朱莉莉

(①北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190;②北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

GCr15軸承鋼是一種最常用的高鉻軸承鋼，具有良好的耐磨性、淬透性、尺寸穩(wěn)定性和抗蝕性，熱處理后可獲得高而均勻的硬度，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、鐵路運(yùn)輸和國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的加工方法難以滿足對(duì)GCr15的精密超精密加工要求。傳統(tǒng)的加工方法加工工序多、效率低、成本高。在線電解修整(ELID)磨削技術(shù)是對(duì)金屬結(jié)合劑超硬磨料超微細(xì)砂輪在線修整、修銳的復(fù)合磨削技術(shù)，它有別于電解磨削、電火花磨削，具有以下顯著特點(diǎn):磨削過(guò)程具有良好的穩(wěn)定性和可控性，易于實(shí)現(xiàn)磨削過(guò)程的最優(yōu)化;加工精度高，表面裂紋少，表面質(zhì)量好;適應(yīng)性廣泛，磨削效率高;裝置簡(jiǎn)單，成本低，推廣性強(qiáng)等［1］。本文采用ELID磨削技術(shù)對(duì)GCr15軸承鋼進(jìn)行超精密鏡面磨削實(shí)驗(yàn)，探究磨削時(shí)的電極間隙、磨削深度和砂輪線速度對(duì)加工質(zhì)量的影響，優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)后獲得Ra0.006 μm的加工表面。

1 ELID磨削技術(shù)基本原理

ELID磨削原理如圖1，根據(jù)砂輪形狀制定的電極作為陰極，金屬基砂輪與電源正極相連作為陽(yáng)極，在陰極與砂輪之間通過(guò)電解液，利用陽(yáng)極溶解原理，砂輪表面的金屬結(jié)合劑被不斷去除，逐漸露出新磨粒，從而使砂輪始終保持很好的磨削狀態(tài)，同時(shí)在砂輪表面電解形成鈍化膜，有效抑制砂輪的過(guò)度電解，上述過(guò)程重復(fù)進(jìn)行并保持一種平衡狀態(tài)從而達(dá)到最佳磨削效果。

2 ELID精密超精密鏡面成型機(jī)理

ELID精密超精密鏡面成型機(jī)理如圖2所示。在ELID磨削過(guò)程中，一方面由于磨粒固著在結(jié)合劑中，對(duì)于單顆粒的固著磨粒而言，其有效磨削尺寸只有磨粒尺寸的1/3，磨粒主要以微切削的方式去除材料，所以造成的破碎區(qū)要小得多;另一方面，砂輪表面形成具有一定厚度和彈性且容納有脫落磨料的鈍化膜，成為一種具有良好柔性的研磨膜。

表1 GCr15軸承鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能

精磨時(shí)，由于進(jìn)給量很小，鈍化膜的厚度遠(yuǎn)大于磨料的出刃高度，使砂輪基體表層磨料在磨削中不可能直接與工件接觸，砂輪上覆蓋的這層鈍化膜將代替金屬基砂輪參與真正的磨削過(guò)程。當(dāng)電解作用完全抑制時(shí)，鈍化膜對(duì)工件進(jìn)行光磨。所以ELID磨削實(shí)際上是一種將磨、研、拋合為一體的復(fù)合式精密鏡面加工技術(shù)，其中磨粒主要是以滑動(dòng)方式去除工件材料［2］。

3 磨削實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用ELID磨削技術(shù)對(duì)GCr15軸承鋼進(jìn)行超精密鏡面磨削。GCr15軸承鋼化學(xué)成分及主要機(jī)械性能、ELID磨削實(shí)驗(yàn)設(shè)備和磨削條件分別如表1、2。

4 實(shí)驗(yàn)效果及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)效果

通過(guò)對(duì)GCr15軸承鋼物理化學(xué)特性和機(jī)械加工性能的分析，結(jié)合類似材質(zhì)的磨削加工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該軸承鋼進(jìn)行ELID磨削。本實(shí)驗(yàn)采用單一變量法，探究磨削深度、砂輪線速度和電極間隙等參數(shù)對(duì)磨削效果的影響。首先采用W10鑄鐵基金剛石砂輪進(jìn)行粗加工，然后采用W2.5砂輪進(jìn)行半精加工，最后采用W0.5砂輪進(jìn)行精加工，得到表面粗糙度Ra0.006 μm的加工表面，優(yōu)化后的工藝參數(shù)選擇范圍如表3所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及磨削條件

表3 磨削工藝參數(shù)

由于GCr15軸承鋼硬度大，在磨削過(guò)程中，磨削力大，磨削溫度高，加工硬化趨勢(shì)嚴(yán)重，因此在半精磨和精磨時(shí)通過(guò)減小進(jìn)給量，從而降低磨削溫度;提高砂輪的線速度，使有效磨粒的磨削力減小，達(dá)到增強(qiáng)表面質(zhì)量的目的。圖3為磨削效果圖，圖4為GCr15軸承鋼表面粗糙度Ra測(cè)量結(jié)果。

4.2 已加工表面分析

4.2.1 電極間隙對(duì)表面粗糙度的影響

精磨時(shí)，保持其他工藝參數(shù)不變，通過(guò)改變電極間隙，探究電極間隙對(duì)工件表面粗糙度的影響規(guī)律，得到的結(jié)果如圖5所示。由圖可知，電極間隙在1 mm以內(nèi)時(shí)，工件的表面粗糙度沒(méi)有明顯改變;當(dāng)電極間隙大于1 mm時(shí)，表面粗糙度值增大，且隨著電極間隙的增加而繼續(xù)增大。這是由于電極與砂輪的間隙直接影響電解電流的電流密度，電極間隙越小，電解電流越大，對(duì)砂輪的電解能力越強(qiáng)，砂輪的在線電解修銳效果越好，磨削加工質(zhì)量也越高。一般情況下，電流密度決定著氧化膜的成膜質(zhì)量。電流密度過(guò)大導(dǎo)致電解速度過(guò)快，使砂輪過(guò)度損耗。電流密度過(guò)小使電解修銳速度過(guò)低，修銳效果差［3］。

4.2.2 磨削深度對(duì)表面粗糙度的影響

圖6為ELID磨削過(guò)程中GCr15軸承鋼表面粗糙度與磨削深度關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)中砂輪粒度為W2.5，砂輪的線速度為16 m/s，電極間隙為0.5 mm，電壓15 V，占空比50%。通過(guò)改變磨削深度，探究磨削深度對(duì)軸承鋼表面粗糙度的影響。由圖6可知，磨削深度對(duì)磨削質(zhì)量影響較大。當(dāng)磨削深度在0.1 μm時(shí)，表面粗糙度Ra可達(dá)到0.006 μm，磨削質(zhì)量較好;當(dāng)磨削深度不斷增大時(shí)，工件表面粗糙度值也隨之增大。

4.2.3 砂輪線速度對(duì)表面粗糙度的影響

圖7為ELID磨削過(guò)程中GCr15軸承鋼表面粗糙度與砂輪線速度關(guān)系曲線。由圖可知，在磨削過(guò)程中，砂輪線速度對(duì)工件表面加工質(zhì)量影響較大。砂輪線速度由16 m/s提高到20 m/s時(shí)，表面粗糙度Ra由0.030 μm下降到0.008 μm。這是因?yàn)殡S著砂輪線速度增加，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)磨削區(qū)域的磨粒數(shù)增多，導(dǎo)致單顆粒的切削力減小，磨削時(shí)在工件表面留下的劃痕減弱。故提高砂輪線速度能夠提高表面加工質(zhì)量。

4.3 工件表面形態(tài)分析

圖8為GCr15軸承鋼經(jīng)ELID磨削后工件表面形貌SEM圖。磨削后的工件表面只有輕微的紋路，沒(méi)有燒傷情況。在ELID磨削中，有效磨削尺寸只有磨粒尺寸的1/3，磨粒主要以微切削的方式去除材料，所以不會(huì)造成太大的劃痕。在磨削過(guò)程中，電解形成一層鈍化膜附著于砂輪表面，抑制砂輪過(guò)度電解;同時(shí)具有柔性的鈍化膜當(dāng)中融脫有脫落下來(lái)的磨粒，隨著氧化膜的高速旋轉(zhuǎn)在光磨階段能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被加工材料的表面無(wú)正壓力柔性沖擊研拋加工。因此，利用ELID磨削可實(shí)現(xiàn)對(duì)GCr15軸承鋼的超精密鏡面磨削，減少磨削缺陷，提高表面加工質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)GCr15軸承鋼進(jìn)行ELID精密超精密磨削實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論:

(1)采用ELID磨削技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)GCr15軸承鋼的高效超精密鏡面加工，磨削缺陷小，表面質(zhì)量好。

(2)在ELID磨削過(guò)程中，當(dāng)電極間隙為0.5～1 mm，砂輪線速度在 16 ～20 m/s，磨削深度在 0.1 μm時(shí)，磨削狀態(tài)最好，可獲得表面粗糙度Ra0.006 μm的加工表面。

(3)電極間隙、磨削深度和砂輪線速度是影響表面加工質(zhì)量的主要因素。當(dāng)電極間隙在1 mm以內(nèi)，磨削深度在0.1 μm時(shí)，表面粗糙度較好，隨著磨削深度的不斷增大，工件表面粗糙度值也隨之增大，提高砂輪線速度能夠提高表面加工質(zhì)量。

［1］周曙光，關(guān)佳亮，徐中耀.陶瓷噴涂層精密鏡面磨削技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2000，20(6):23 －24.

［2］周曙光，關(guān)佳亮，郭東明，等.ELID 鏡面磨削技術(shù)——綜述［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2001(2):38－40.

［3］關(guān)佳亮，郭東明，袁哲俊.ELID鏡面磨削中砂輪生成氧化膜特性及其作用的研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000，36(5):89 －92.